KR20090129446A - Rf-전력공급 전극의 dc 전압 제어 방법 및 장치 - Google Patents

Rf-전력공급 전극의 dc 전압 제어 방법 및 장치 Download PDF

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마리암 모라베
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Abstract

플라즈마 프로세싱 챔버에서, 기판을 프로세싱하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 상부 전극 (UE) 및 하부 전극 (LE) 을 구비하여 구성된 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 기판을 지지하는 단계, UE 및 LE 사이에서 플라즈마를 점화하도록 적어도 하나의 RF 주파수 전원을 구성하는 단계 및 도전성 경로를 제공하기 위해 LE 에 커플링된 도전성 커플링 링을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 도전성 커플링 링 위에 배치되는 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP; plasma-facing-substrate-periphery) 링을 제공하는 단계를 또한 포함한다. 이 방법은, 플라즈마 프로세싱 파라미터들을 제어하기 위한, RF 필터를 통한 DC (direct current) 접지, RF 필터 및 가변 저항기를 통한 DC 접지, RF 필터를 통한 양의 전원, 및 RF 필터를 통한 음의 DC 전원 중 적어도 하나에 PFSP 링을 제공하는 단계를 더 포함한다.
Figure P1020097020366
상부 전극, 하부 전극, RF 전원, 도전성 커플링 링, PFSP 링

Description

RF-전력공급 전극의 DC 전압 제어 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DC VOLTAGE CONTROL ON RF-POWERED ELECTRODE}
발명의 배경
플라즈마 프로세싱의 진보는 반도체 산업의 성장을 촉진시켰다. 반도체 산업은 매우 경쟁적인 시장이다. 상이한 프로세싱 조건에서 기판을 프로세싱할 수 있는 제조 회사의 능력은 그 제조 회사에 경쟁사보다 우세함을 제공할 수도 있다. 따라서, 제조 회사는 기판 프로세싱을 개선하기 위한 방법 및/또는 장치 (arrangement) 를 식별하기 위해 시간 및 리소스들을 헌신해 왔다.
기판 프로세싱을 수행하기 위해 채용될 수도 있는 통상적인 프로세싱 시스템은 비대칭적 다중-주파수 용량 결합형 프로세싱 시스템일 수도 있다. 이 프로세싱 시스템은 프로세스 파라미터들의 범위 내에서 프로세싱을 가능하게 하도록 설계된다. 그러나, 최근에 프로세싱되는 디바이스들의 유형은 더욱 정교해졌고, 더욱 많은 프로세스 제어를 요구해왔다. 일 예시에서, 프로세싱되는 디바이스들은 더욱 소형이 되고, 더욱 정밀한 프로세싱을 요구해왔다.
반도체 산업에서 경쟁력을 유지할 필요가 있다면, 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템의 성능에 대한 강화가 매우 바람직하다.
발명의 개요
일 실시형태에서, 본 발명은 플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 프로세싱하 기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 상부 전극 및 하부 전극을 구비하여 구성된 플라즈마 프로세싱 챔버에서 기판을 지지하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 상부 전극과 하부 전극 사이에서 플라즈마를 점화 (ignite) 하기 위해 적어도 하나의 RF (radio frequency) 전원을 구성하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한, 도전성 커플링 링 (conductive coupling ring) 을 제공하는 단계를 포함한다. 도전성 커플링 링은 하부 전극에 커플링되어 도전성 경로를 제공한다. 이 방법은 또한, 도전성 커플링 링 위에 배치된 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP; plasma-facing-substrate-periphery) 링을 제공하는 단계를 더 포함한다. 또한, 이 방법은, 플라즈마 프로세싱 파라미터들을 제어하기 위해, RF 필터를 통한 DC (direct current) 접지, RF 필터 및 가변 저항기를 통한 상기 DC 접지, RF 필터를 통한 양의 DC 전원, 및 RF 필터를 통한 음의 DC 전원 중 적어도 하나에 PFSP 링을 커플링하는 단계를 더 포함한다.
전술한 개요는 본 명세서에 기재된 본 발명의 수많은 실시형태들 중 단지 하나의 실시형태에 관한 것이고, 본 명세서의 청구범위에서 설명되는 본 명세서의 범위를 한정하도록 의도되지 않는다. 본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들은 본 발명의 상세한 설명 및 이하 도면과 관련하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도면의 간단한 설명
본 발명은, 첨부된 도면의 도에서, 한정을 위해서가 아닌 예시를 위해서 설명되며, 도면의 동일한 참조 부호는 동일한 엘리먼트들을 지칭한다.
도 1 은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 플라즈마 프로세싱 시스템에 대 한 제어를 강화하도록 설계된 컴포넌트들로 구성된 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템의 개략도를 도시한다.
도 2 는, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 제어를 강화하도록 설계된 컴포넌트들로 구성된 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템의 개략도이다.
도 3 은, 일 실시형태에 따라서, PFSP 링 (예를 들어, 핫 에지 링 (hot edge ring)) 상의 DC 바이어스의 함수로서 측정된 전위 (potential) 를 나타내는 데이터 표시 그래프를 도시한다.
도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 기판의 반경에 따른 이온 포화 전류 밀도를 나타내는 데이터 표시 그래프를 도시한다.
도 5 는, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 기판상의 DC 바이어스의 함수로서 이온 포화 전류 밀도를 나타내는 데이터 표시 그래프를 도시한다.
도 6 은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 2MHz 베이스라인 회로에 대한 PFSP 링 DC 전위의 함수로서 모델링된 DC 전위 결과의 데이터를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 7 은, 본 발명의 일 실시형태에 따라서, 27MHz 베이스라인 회로에 대한 PFSP 링 DC 전위의 함수로서 모델링된 DC 전위 결과의 데이터를 나타내는 그래프를 도시한다.
도 8 은, 본 발명의 일 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 제어를 강화하도록 설계된 컴포넌트로 구성된 다중-주파수 용량 결합형 플라즈마 프 로세싱 시스템 (800) 을 나타낸다.
실시형태의 상세한 설명
본 발명은, 첨부된 도면에 도시된 것과 같이, 몇몇 실시형태들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 후술하는 설명에서, 본 발명의 전반적인 이해를 제공하게 위해 수많은 구체적인 세부사항들이 설명된다. 그러나, 당업자에게는, 본 발명이 몇몇 또는 모든 이들 구체적인 세부사항 없이도 실행될 수도 있다는 것이 명백하다. 다른 예시에서, 주지된 프로세스 단계 및/또는 구조는 본 발명을 불필요하게 애매하게 하지 않기 위해 상세하게 설명하지 않는다.
방법 및 기술을 포함하는 다양한 실시형태들이 이하 설명된다. 본 발명은, 본 발명의 기법의 실시형태들을 실행하기 위한 컴퓨터-판독가능 명령이 저장된 컴퓨터-판독가능 매체를 포함하는 제품을 커버할 수도 있다는 것을 명심해야만 한다. 컴퓨터 판독가능 매체는, 예를 들어, 반도체, 자기, 광-자기, 광학, 또는 컴퓨터 판독가능 코드를 저장하기 위한 다른 형태의 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수도 있다. 또한, 본 발명은 본 발명의 실시형태를 실행하기 위한 장치를 커버할 수도 있다. 이러한 장치들은, 본 발명의 실시형태들에 속하는 태스크들을 수행하기 위한 전용 및/또는 프로그램가능한 회로를 포함한다. 이러한 장치의 예시는, 적절하게 프로그래밍된 경우, 범용 컴퓨터 및/또는 전용 컴퓨팅 디바이스를 포함하고, 본 발명의 실시형태들에 속하는 다양한 태스크에 적합한 전용/프로그램가능한 회로 및 컴퓨터/컴퓨팅 디바이스의 조합을 포함할 수도 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 플라즈마 프로세싱 파라미터들에 대한 제어를 강화하기 위해 플라즈마 프로세싱 시스템을 구성하기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 본 발명의 실시형태들은, 파라미터들에 대한 더 많은 제어를 가능하게 하기 위해 DC 제어 모듈에 커플링된 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP) 링을 채용하는 단계를 포함한다. 더욱 복잡한 제어를 통해서, 플라즈마 프로세싱 시스템의 프로세스 체계는 통상의 프로세싱 파라미터들 보다 나은 기판 프로세싱을 허용하도록 확대될 수도 있다.
일 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 시스템은 플라즈마-대향 기판 주변 링과 DC 제어 모듈 사이에 도전성 경로를 제공하기 위해 도전성 커플링 링을 포함하도록 구성될 수도 있다. 일 실시형태에서, DC 제어 모듈은 스위치, 양의 (positive) DC 전원, 음의 DC 전원, 및 DC 접지에 접속된 가변 저항기를 포함할 수도 있다. 도전성 경로를 제공함으로써, 플라즈마-프로세싱 파라미터 (예를 들어, 평균 이온 에너지 및/또는 플라즈마 밀도) 가 DC 제어 모듈에 의해 제어될 수도 있다.
일 예시에서, 플라즈마-프로세싱 파라미터는, RF 필터를 통해서 접지에 PFSP 링을 커플링함으로써 제어될 수도 있다. 다른 예시에서, 플라즈마-프로세싱 파라미터는 RF 필터 및 가변 저항기를 통해 접지에 PFSP 링을 커플링함으로써 제어될 수도 있다. 다른 예시에서, 플라즈마-프로세싱 파라미터는 RF 필터를 통해 양의 DC 전압 소스에 PFSP 링을 커플링함으로써 제어될 수도 있다. 또 다른 예시에서는, 플라즈마-프로세싱 파라미터는 RF 필터를 통해 음의 DC 전압 소스에 PFSP 링을 커플링함으로써 제어될 수도 있다.
다른 실시형태에서, 핫 에지 링과의 RF 도전성 커플링을 생성하는 플라즈마 프로세싱 시스템의 능력을 제거하지 않고, DC 제어 모듈과 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP) 링 (핫 에지 링으로 한정되지 않음) 사이에 DC 도전성 경로를 제공하는 DC 도전성 커플링 링을 포함하도록 구성될 수도 있다.
다른 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 시스템은 RF 도전성 커플링을 생성하는 능력을 유지하면서 DC 도전성 경로를 제공하도록 구성될 수도 있다. RF 도전성 커플링은 RF 커플링 링을 채용함으로써 정전 척을 핫 에지 링에 커플링하도록 구성될 수도 있다. RF 도전성 커플링을 제거하지 않고 DC 도전성 커플링을 달성하기 위해, DC 도전성 커플링 링 및 PFSP 링과 같은 추가적인 링들을 채용하여 DC 도전성 경로를 제공할 수도 있다. 일 실시형태에서, PFSP 링은 기판의 주변에 있을 수도 있는 임의의 유형의 플라즈마-대향 링 (plasma-facing ring) 일 수도 있다.
본 발명의 특징 및 이점은 도면 및 후술하는 설명을 참조하여 더욱 잘 이해될 수도 있다.
도 1 은, 본 발명의 실시형태에 따라서, 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 제어를 강화하도록 설계된 컴포넌트들로 구성된 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 개략도를 나타낸다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 은 단일, 2 중, 또는 3 중 주파수 용량성 방전 시스템일 수도 있다. 예시에서, RF 는 2MHz, 27MHz 및 60MHz 를 포함할 수도 있지만 이에 한정하지 않는다.
플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 은, 접지된 상부 전극 (104) 이, 기판 (106) 및/또는 정전 척 (108) 의 직경과는 상이한 (예를 들어, 더 큰) 직경을 가질 수도 있는 비대칭적일 수도 있다. 따라서, 플라즈마 프로세싱 도중에, 접지된 상부 전극 (104) 의 DC 전압 (Vdc) 에서 측정된 전위는 기판 (106) 의 전위와는 다를 수도 있다. 예시에서, 접지된 상부 전극 (104) 의 Vdc 는 0 일 수도 있는 반면에, 기판 (106) 의 Vdc 는 음 (negative) 이 되는 경향이 있다.
또한, 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 은, 일반적으로 알루미늄인 하부 바디 (110) 위에 배치된 하부 전극 (예를 들어, 정전 척 (108)) 및 접지된 상부 전극 (104) 을 포함하도록 구성될 수도 있다. 정전 척 (108) 은 알루미늄 플레이트의 표면상에 세라믹 유전체 층을 갖는 알루미늄으로 구성될 수도 있다.
또한, 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 은 RF 바이어스 전력을 하부 바디 (110) 를 통해서 정전 척 (108) 으로 공급하기 위해 RF 발생기 (112) 를 포함할 수도 있다. 일반적으로, RF 전력 (112) 은 가스 (도면의 간략화를 위해 도시되지 않음) 와 상호작용하여 상부 전극 (104) 과 정전 척 (108) 사이에서 플라즈마 (102) 를 점화할 수도 있다. 플라즈마 (102) 는 기판 (106) 상으로 재료를 증착 및/또는 에칭하여 전자 디바이스를 생성할 수도 있다.
또한, 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 은 커플링 링 (114) 을 포함할 수도 있다. 일 실시형태에서, 커플링 링 (114) 위에 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP) 링 (116) 이 배치되고, PFSP 링 (116) 은 플라즈마 (102) 에 대향하는 기판의 주변부에 배치될 수도 있다. PFSP 링 (116) 은 핫 에지 링을 포함할 수도 있지만 이에 한정하지 않는다. PFSP 링 (116) 이 채용되어 플라즈마 (102) 이온에 의한 손상으로부터 하부 컴포넌트들 (예를 들어, 커플링 링 (114)) 의 보호를 제공할 수도 있다. PFSP 링 (116) 은 기판의 에지에서 플라즈마의 이온에 포커싱하도록 이용되어 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 내에서 플라즈마 프로세싱 도중에 프로세스 균일성을 유지할 수도 있다.
종래 기술에서, 커플링 링은 정전 척 (108) 과 PFSP 링 (116) 사이에 RF 커플링을 가능하게 하기 위해 RF 도전성 재료 (예를 들어, 석영) 로 구성될 수도 있다. 종래 기술과는 대조적으로, 커플링 링 (114) 은 PFSP 링 (116) 과 하부 바디 (110) 사이에 DC 커플링을 제공하기 위해 DC 도전성 재료 (예를 들어, 알루미늄) 로 구성될 수도 있다. 예시에서, 커플링 링 (114) 은 전류가 상부 전극 (104) 로부터 플라즈마 (102) 를 통해서, PFSP 링 (116) 을 통해서, 하부 바디 (110) 를 통해서, RF 필터 (128) 를 통해서 DC 제어 모듈 (160) 로 트래버스 (traverse) 하는 것을 가능하게 할 수도 있다. DC 커플링을 가능하게 함으로써, 외부 DC 제어 모듈 (160) 을 통한 DC 전류 경로가 확립될 수도 있다.
일 실시형태에서, DC 제어 모듈 (160) 은 스위치 (130), 양의 DC 전원 (136), 음의 DC 전원 (134), 및 DC 접지 (132) 를 포함할 수도 있다. 가변 저항기 (131) 는, DC 전류 경로의 저항을 변화시키기 위해 DC 접지 (132) 에 접속되도록 구성될 수도 있다.
전술한 도전성 경로를 따라서 전류를 구동하는 것은 상이한 구현들을 통해서 달성될 수도 있다.
DC 제어 모듈 (160) 은 복수의 플라즈마 프로세싱 파라미터를 제어하기 위해 채용될 수도 있다. 일 실시형태에서, 하부 바디 (110) 를 RF 필터 (128) 를 통해 DC 제어 모듈 (160) 의 스위치 (130) 에 커플링하여 DC 접지 (132) 에 접속시킴으로써 PFSP 링 (116) 을 통해서 전술한 도전성 경로를 따라서 전류가 구동될 수도 있다. 일반적으로, RF 필터 (128) 는 DC 전원의 손실 없이 원하지 않는 고조파 RF 에너지의 감쇠를 제공하도록 사용된다. 통상적으로, 원하지 않는 고조파 RF 에너지는 플라즈마 방전시에 생성되고, RF 필터 (128) 에 의해 DC 전원으로 반환 (return) 되지 않고 유지될 수도 있다.
스위치 (130) 는 일반적으로 다양한 DC 외부 전원들 사이에서 선택하도록 사용된다. 일 예시에서, 스위치 (130) 가 개방되면, 전류 경로는 외부 DC 제어 모듈까지 존재하지 않는다. 따라서, 전술한 기판 DC 바이어스 전압 (Vdc) 은 비대칭 플레이트로 인해 플라즈마에 대해 음 (negative) 이 되는 경향이 있을 것이다. 그러나, 스위치 (130) 가 폐쇄되고 회로가 접지되면, 기판 DC 바이어스는 음으로부터 0 으로 이동하게 되는 경향이 있다.
PFSP 링 (116) 의 전압을 접지를 향해서 구동시키기 위해 스위치 (130) 를 폐쇄하면, 플라즈마 전압 전위 (Vpl) 및 기판 DC 바이어스 (Vdc) 가 변화할 수도 있다. 이론에 얽매이기를 원하지는 않지만, 발명자는 기판에 대한 평균 이온 에너지 (Emean) 가 식 1 에 의해 Vpl 및 Vdc 과 연관될 수도 있다는 것을 확신한다.
Emean=Vpl - Vdc 식 1
일반적으로, 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 내의 기판에 대한 평균 이온 에너지가 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 확립된 전위차에 의해 결정될 수도 있다. 예시에서, 기판 (106) 에 대한 평균 이온 에너지는, DC 접지로의 경로를 갖는 회로의 폐쇄시에 Vpl 및 Vdc 의 값들의 특정 변화에 기초하여 변화되는 경향이 있다.
또한, 플라즈마 밀도는 스위치 (130) 가 폐쇄되고 접지로의 DC 전류 경로가 PFSP 링 (116) 으로 확립될 때 증가하는 경향이 있다. 플라즈마 밀도의 증가는 유리한 방식으로 글로벌 (global) 경향이 있다. 본 명세서에 사용되는 용어로서, 글로벌은 기판에 걸쳐서 뿐만 아니라 기판 에지의 외부에서도 플라즈마 밀도의 균일한 증가를 지칭한다. 따라서, 플라즈마 밀도는 기판의 에지에서 감소 (drop off) 하는 경향은 없다. 일반적으로, 플라즈마 밀도는 프로세스가 균일성 및 수직한 에칭 프로파일을 유지하도록 기판의 전체 표면에 걸쳐서 실질적으로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
또 다른 실시형태에서, DC 제어 모듈 (160) 은, 하부 바디 (110) 를 RF 필터 (128) 를 통해 가변 저항기 (131) 에 커플링하여 DC 접지 (132) 에 접속시킴으로써 PFSP 링 (116) 을 통해서 전류를 구동시키기 위해 사용될 수도 있다. 스위치 (130) 가 폐쇄되면, 가변 저항기 (131) 의 값을 변화시킴으로써 회로 경로를 통해 흐르는 전류가 조절되어 플라즈마 및 기판에서의 전압 전위에 영향을 줄 수도 있다. 따라서, 플로팅과 접지 사이의 플라즈마 밀도 값 및 평균 이온 에너지가 조절, 즉, 미세-조정될 수도 있다.
예를 들어, 스위치 (130) 가 폐쇄되어 양의 DC 전압 바이어스 (134) 와 접촉하는 상황을 고려한다. 일 실시형태에서, 양의 DC 전압 바이어스 (136) 에 의해 RF 필터 (128) 와 하부 바디 (110) 를 커플링함으로써 PFSP 링 (116) 을 통해서 전류가 구동될 수도 있다. 양의 DC 전압 바이어스 (136) 에 대한 한계는 플라즈마 전위일 수도 있다. 양의 DC 전압 바이어스 (136) 를 증가함으로써, 플라즈마 및 기판의 전압 전위들을 증가시킬 수도 있고, 플라즈마 밀도가 증가할 수도 있으며, 평균 이온 에너지가 접지 상태를 지나 감소할 수도 있다.
예를 들어, 스위치 (130) 가 폐쇄되어 음의 DC 전압 바이어스 (134) 와 접촉하는 상황을 고려한다. 일 실시형태에서, 음의 DC 전압 바이어스 (134) 에 의해 RF 필터 (128) 와 하부 바디 (110) 를 커플링함으로써 PFSP 링 (116) 을 통해서 전류가 구동될 수도 있다. 음의 DC 전압 바이어스 값에 대한 제한은 기판 DC 바이어스에 기초할 수도 있다. 음의 DC 전압 바이어스 (134) 를 제어함으로써, 기판의 전압 전위 및 플라즈마는 감소할 수도 있다. 플라즈마 전위를 감소시킴으로써, 한정 플라즈마 (confined plasma) 를 유지하는 성능이 개선될 수도 있다. 또한, 음의 DC 전압 바이어스 (134) 를 제어함으로써, 플라즈마 밀도가 감소할 수도 있고, 평균 이온 에너지가 증가할 수도 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 플라즈마 프로세싱 파라미터의 강화된 제어는 DC 제어 모듈을 조정함으로써 달성될 수도 있다. 따라서, 비대칭 플레이트를 갖는 용량 결합형 플라즈마 프로레싱 시스템은 통상적인 플라즈마 프로세싱 체계 이외일 수도 있는 더욱 복잡한 기판 프로세싱을 수행할 수 있다. 또한, 제조 회사의 소유 비용은, 실시형태의 구현이 비교적 간단하고 저렴하기 때문에, 최소화될 수도 있다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 따라서, 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 제어를 강화하도록 설계된 컴포넌트들로 구성된 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 의 개략도를 나타낸다. 도 2 는, 도 1 의 라인 (150) 의 우측에 추가적인 엘리먼트를 갖는 도 1 의 플라즈마 프로세싱 시스템 (100) 의 구현을 나타낸다는 것에 주의해야 한다.
플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 은 통상 석영으로 형성된 저부 절연체 (218) 를 포함할 수도 있다. 석영으로 또한 형성될 수도 있는 저부 절연체 커버 (220) 가 저부 절연체 (218) 의 위에 배치된다. 저부 접지 확장부 (222) 가 저부 절연체 커버 (220) 에 커플링된다. 저부 접지 확장부 (222) 는 통상 알루미늄으로 형성되고, 접지된다. 통상적으로 석영으로 형성된 커버 링 (224) 이 저부 접지 확장부 (222) 위에 배치된다.
또한, 다중-주파수 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 은 복수의 한정 링 (226A, 226B, 226C, 및 226D) 을 포함한다. 한정 링 (226A 내지 226D) 은 플라즈마 프로세싱 도중에 플라즈마 챔버 내부에 플라즈마를 한정하도록 기능한다.
플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 은 도 1 에 설명된 실시형태들로부터 이점을 취할 수도 있다. 도전성 경로를 갖는 플라즈마 프로세싱 시스템 (200) 을 DC 제어 모듈로 구성함으로써, 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템은 통상적인 플라즈마 프로세싱 체계 이외일 수도 있는 더욱 복잡한 기판 프로세싱을 수행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 내의 기판에 대한 평균 이온 에너지는 플라즈마 프로세싱 챔버 내에서 확립된 전위에 의해 결정될 수도 있다. 전위는 플라즈마 전위, 플로팅 전위, 및/또는 전력이 공급되거나 또는 외부 바이어싱된 전극의 전위를 포함할 수도 있지만 이에 한정하지 않는다. 도 3 은, 일 실시형태에 따라서, PFSP 링 (예를 들어, 핫 에지 링) 상의 DC 바이어스의 함수로서 측정된 전위를 나타내는 데이터 표시 그래프 (300) 를 도시한다. 도 3 은 이해를 용이하게 하기 위해 도 1 및 도 3 에 관련하여 설명된다.
수직축은 전압 (V) 에서의 측정된 전위를 나타내고, 수평축은 PFSP 링상의 상이한 DC 바이어스 전압 (V) 설정을 나타낸다. 수평축을 따라서, PFSP 링의 DC 바이어스에 대한 4 개의 상이한 조건들 (302, 304, 306, 및 308) 이 나타나 있다.
3 개의 플롯 라인들 (310, 312, 및 314) 이 그래프 (300) 에 매핑된다. 플롯 라인 (310) 은 기판 DC 바이어스 (Vdc) 의 예시를 나타낸다. 플롯 라인 (312) 은 플라즈마 전위 (Vpl) 의 예를 나타낸다. 플롯 라인 (314) 은 기판에서의 평균 이온 에너지 (Emean) 의 예를 나타낸다.
예를 들어, 2MHz 및 27MHz 와 같은 이중 주파수 RF 전력이 RF 발생기 (112) 에 의해 공급될 수도 있는 상황을 고려한다. 프로세싱 도중에, 스위치 (130) 가 개방된다. 그래프 (300) 상에서, 스위치 (130) 의 개방 컨디션은 컨디션 라인 (302) 으로서 나타난다. 스위치 (130) 가 개방된 경우, 기판 (106) 은 플롯 라인 (310) 에 의해 도시된 바와 같이 음의 DC 바이어스 전압 (Vdc) 을 가질 수도 있다. 또한, 플롯 라인 (312) 에 의해 도시된 바와 같이, 플라즈마 (102) 의 전압 전위 (Vpl) 는 기판 DC 바이어스 전압 (Vdc) 보다 더 높을 수도 있다. 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템의 비대칭으로 인해, 플라즈마 전압 전위 (Vpl) 는, 컨디션 라인 (302) 에서, 플롯 라인 (312 및 310) 에 의해 도시된 바와 같이 기판 DC 바이어스 전압 (Vdc) 보다 더 높은 경향이 있다.
예를 들어, 스위치 (130) 가 폐쇄되는 경우, 도전성 커플링 링 (114) 과 하부 바디 (110) 사이의 도전성 전류 경로가 외부 DC 제어 모듈 (160) 까지 확립될 때, PFSP 링 (116) 은 접지된다. 그래프 (300) 에서, PFSP 링 (116) 의 접지 컨디션은 컨디션 라인 (304) 으로서 도시될 수도 있다. 기판 (106) 및 플라즈마 (102) 모두가 도전성 전류 경로를 따라서 존재하기 때문에, 기판 DC 바이어스 전압 (Vdc) 및 플라즈마 전압 전위 (Vpl) 는 DC 전류 경로가 접지와 접속되어 있을 때 증가할 수도 있다. 예시에서, 기판 DC 바이어스 전압 (Vdc) 은 음의 전위에서부터 약 0 의 전위로 증가할 수도 있다. 관찰되는 바와 같이, 기판 DC 바이어스 전압 (Vdc) 이 음의 전위에서부터 약 0 으로 증가됨에 따라, 플롯 라인 (310) 이 증가되는 것이 나타난다. 유사하게, 플롯 라인 (312) 은 증가하는 것으로 나타나지만, 플라즈마 전압 전위의 변화가 기판 DC 바이어스 전압의 변화보다는 적기 때문에, 그 증가는 경사가 급하지 않다.
전술한 바와 같이, 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템의 평균 이온 에너지는 프로세싱 챔버 내에서 확립된 전위 차이에 의해 결정될 수도 있다. 예시에서, 스위치 (130) 가 개방될 경우, Vdc 는 음이 되는 경향이 있다. 그러나, 스위치 (130) 가 폐쇄되고 회로가 접지되면, 기판 DC 바이어스는 음에서부터 0 으로 이동하는 경향이 있다. 플라즈마 전압 전위가 증가된 것이 기판 DC 바이어스 전압이 증가된 것보다 적기 때문에, 기판에서의 평균 이온 에너지 Emean 는 감소하는 경향이 있다. 관찰되는 바와 같이, 플롯 라인 (314) 은 기판 (106) 에서의 평균 이온 에너지의 감소를 도시한다.
플롯 라인 (310 및 312) 에 도시된 바와 같이, 플라즈마 및/또는 기판의 전압 전위 값은 각각 조정 (예를 들어, 미세-조정) 될 수도 있다. 실시형태에서, 가변 저항기 (131) 는 저항 값을 제어하기 위해 도전성 전류 경로를 따라서 위치되어, 이에 따라, 전압 전위를 제어할 수도 있다. 그 결과, 플롯 라인 (314) 으로 도시된 바와 같이, 기판에서의 평균 이온 에너지가 제어될 수도 있다.
예시에서, 컨디션 라인 (306 및 308) 은 PFSP 링 (116) 에서의 DC 바이어스의 양의 120 볼트 및 양의 200 볼트를 각각 나타낸다. 플롯 라인 (310) 은 컨디션 라인 (304) 에서부터 컨디션 라인 (306) 까지 기판 DC 바이어스의 약간의 증 가를 나타내고, 여기서 PFSP 링 (116) 에 대한 DC 바이어스는 약 120V 이다. 플롯 라인 (310) 은, 컨디션 라인 (308) 에 근접함에 따라, DC 바이어스 전압의 추가적인 증가를 통해 안정수준에 이르기 시작할 수도 있고, 여기서, DC 바이어스는 약 200V 이다. PFSP (116) 의 바이어스 DC 전압에 대한 상한은 플라즈마 전위일 수도 있다.
유사하게, 플롯 라인 (312) 은 플라즈마 전위의 약간의 증가를 나타내고, 컨디션 라인 (306 및 308) 각각에서 플라즈마 전위 값의 안정수준에 안착하는 것으로 계속한다. 대응적으로, 도 3 의 플롯 라인 (314) 에 도시된 바와 같이, 기판에서의 평균 이온 에너지는 값의 최소한의 감소를 나타내고, 안정수준에 안착하는 것으로 계속한다.
도 3 에서 관찰할 수 있는 바와 같이, 그래프 (300) 는, DC 제어 모듈의 구현이 프로세싱 환경의 파라미터들 (예를 들어, 기판의 DC 바이어스, 플라즈마 전위, 및 기판에서의 평균 이온 에너지) 에 대한 제어를 강화할 수도 있다는 것을 나타낸다. 일 예시에서, PFSP 링에 대한 DC 전압을 제어함으로써, 플라즈마 및/또는 기판의 전압 전위가 충격을 받을 수도 있다. 또한, 기판에서의 평균 이온 에너지는, 전류 경로에 가변 저항기를 구성하여 플로팅과 접지 사이에서 전위를 미세-조정함으로써 제어될 수도 있다. 또한, DC 효과는, PFSP 링에서의 양의 DC 바이어스가 한계, 즉, 플라즈마 전위에 근접함에 따라 계속될 수도 있고 안정수준에 안착할 수도 있다.
도 4 는, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기판의 반경에 따른 이온 포화 전류 밀도를 나타내는 데이터 표시 그래프 (400) 를 도시한다. 수직축은 이온 포화 전류 밀도 (Jsat) 인 1 제곱 센티미터 당 측정된 밀리암페어 (mA/cm2) 를 나타낸다. 수평축은 기판의 중심으로부터의 밀리미터 (mm) 의 거리를 나타낸다. 수평축을 따라서, 기판의 중심은 반경이 약 0 이 되는 곳이다. 예시에서, 300mm 직경 기판에 대해, 기판의 에지는 그 반경이 약 150mm 가 되는 곳이다.
그래프 (400) 는 플롯 라인 (402 및 404) 을 포함할 수도 있다. 플롯 라인 (402) 은, 스위치가 개방된 (즉, DC 제어 모듈에 어떠한 전류 경로도 없는) 기판에 걸친 이온 플럭스 (즉, 플라즈마 밀도) 의 예시를 나타낸다. 플롯 라인 (404) 은, 스위치가 폐쇄되고 DC 제어 모듈로의 전류 경로가 존재하는 기판에 걸친 이온 플럭스의 예시이다.
예를 들어, 플라즈마 프로세싱 도중에 스위치가 폐쇄되는 상황을 고려한다. 그 결과, 기판에 걸친 플라즈마 밀도는 플롯 라인 (402 및 404) 으로 나타난 바와 같이 기판에 걸쳐서 균일하게 증가할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 증가는 기판에 걸쳐서 그리고 기판 에지 외부에도 균일하게 증가하는 플라즈마 밀도를 갖는 글로벌 증가일 수도 있다.
도 5 는, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 기판상의 DC 바이어스의 함수로서 이온 포화 전류 밀도를 나타내는 데이터 표시 그래프 (500) 를 나타낸다. 수직축은 1 제곱 센티미터 당 측정된 밀리-암페어 (mA/cm2) 의 이온 포화 전류 밀도 (Jsat) 를 나타낸다. 수평축은 측정된 기판 DC 바이어스 [전압 (V)] 를 나타낸다.
일 실시형태에서, 플롯 라인 (502) 은, DC 제어 모듈로의 전류 경로가 플로팅에서부터 접지로 변화할 때, 플라즈마 밀도의 증가를 나타낸다. 플로팅과 접지 사이의 플라즈마 밀도 값은 DC 접지의 전류 경로에 구성된 가변 저항기를 통해 제어될 수도 있다. 또한, 플롯 라인 (502) 은, 이온 포화 전류가 양의 전압 DC 바이어스가 증가함에 따라 (예를 들어, +120V, +200V 및 +250V) 증가하고, 그 효과가 플라즈마 전위 한계로 인해서 점차적으로 평준화된다는 것을 나타낸다.
일반적으로, DC 시스 (DC sheath) 는, DC 전위가 플로팅 전위 이상으로 증가됨에 따라서 접지 전극에서 전개되는 경향이 있다. 용어가 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 플로팅 전위는 외부 바이어스 또는 접지되지 않은 비대칭적 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 내의 표면에 의해 추측된 전위를 지칭한다. 기판의 반대편에 존재하는 DC 시스는 에너지화된 보조 전자 (energetic secondary electron) 를 포획하는 경향이 있다. 에너지화된 보조 전자를 포획하는 것은 에너지화된 전자에 의한 이온화에 대한 상대적으로 높은 단면으로 인해 플라즈마 밀도의 증가를 유발하는 경향이 있다. 따라서, 기판에 걸친 플라즈마 밀도는 기판에 대한 DC 바이어스를 제어함으로써 조정될 수도 있다.
도 6 은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 2MHz 베이스라인 회로에 대한 PFSP 링 DC 전위의 함수로서 모델링된 DC 전위 결과의 데이터를 나타내는 그래프 (600) 를 도시한다.
수직축은 모델링된 DC 전위 [전압 (V)] 를 나타낸다. 수평축은 PFSP 링에서 상이한 DC 바이어스 전압 (V) 설정을 나타낸다. 예시로서 3 개의 플롯 라인 (610, 612, 및 614) 이 나타난다. 플롯 라인 (610) 은 기판 DC 바이어스 (Vdc) 의 예시를 나타낸다. 플롯 라인 (612) 은 플라즈마 전위 (Vpl) 의 예시를 나타낸다. 플롯 라인 (614) 은 기판에서 평균 이온 에너지 (Emean) 의 예시를 나타낸다.
플롯 라인 (614) 은, 플로팅에서부터 접지 및 약 200V 까지의 2MHz 여기 주파수 에 대한 DC 전위에 의해 기판에서 평균 이온 에너지의 직접적인 제어를 예측하는 회로 모델로부터의 분석 결과를 나타낸다. 한계 이상에서, 이 모델은 평균 이온 에너지의 레벨링 효과를 예측한다. 평균 이온 에너지에 영향을 미치는 DC 전위의 한계는 플라즈마 전위에 기인할 수도 있다. 또한, 모델은 기판 DC 바이어스, 즉, 플롯 라인 (610) 및 플라즈마 전위, 즉 플롯 라인 (612) 을 예측하고, 전체 범위에 걸친 PFSP DC 전위에 대한 트랙을 도출한다. 모델 예측은 도 3 에서의 측정 결과와 상당한 일치를 갖는 도 6 을 결과로 초래한다.
도 7 은, 본 발명의 일 실시형태에 따른, 27MHz 베이스라인 회로에 대한 PFSP DC 전위의 함수로서 모델링된 DC 전위 결과의 데이터를 나타내는 그래프 (700) 를 도시한다.
수직축은 모델링된 DC 전위 [전압 (V)] 를 나타낸다. 수평축은 PFSP 링 에서 상이한 DC 바이어스 전압 (V) 설정을 나타낸다. 그래프 (700) 에는 3 개의 플롯 라인 (710, 712 및 714) 이 도시된다. 플롯 라인 (710) 은 기판 DC 바이어스 (Vdc) 의 예를 도시한다. 플롯 라인 (712) 은 플라즈마 전위 (Vpl) 의 예시를 나타낸다. 플롯 라인 (714) 은 기판에서의 평균 이온 에너지 (Emean) 의 예시를 나타낸다.
플롯 라인 (714) 은 전체 범위에 걸친 27MHz 여기 주파수에 대한 DC 전위에 의해 기판에서 평균 이온 에너지의 어떠한 직접적인 제어도 예측하지 않는 회로 모델로부터의 분석 결과를 나타낸다. 그러나, 모델은 기판 DC 바이어스, 즉, 플롯 라인 (710), 및 플라즈마 전위, 즉, 플롯 라인 (712) 을 예측하고, 전체 범위에 걸친 PFSP DC 전위에 대한 트랙을 도출한다.
일 실시형태에서, 회로 모델 예측은 기판 DC 바이어스를 나타내고, 플라즈마 전위는 낮은 RF 주파수 및 높은 RF 주파수 모두에 대한 전체적인 범위에 걸친 PFSP DC 전위에 대한 트랙을 도출한다. 그러나, PFSP DC 전위의 함수로서 기판에서 평균 이온 에너지의 감소는 저주파수 여기, 예를 들어, 2MHz 로부터의 기여에 주로 기인한다. 따라서, 2 중 주파수 RF 전력, 즉 2MHz 및 27MHz 를 갖는 도 3 의 평균 이온 에너지의 제어를 나타내는 측정 결과는 저주파수 (예를 들어, 2MHz) 기여에 주로 기인한다.
도 1, 도 2a 및 도 2b 에서 설명하는 바와 같은, 전술한 방법 및 장치뿐만 아니라, 핫 에지 링으로 한정되지 않은 PFSP 링이 상부 전극으로부터 DC 제어 모듈 로 DC 경로를 생성하도록 사용될 수도 있는 다른 실시형태가 제공될 수도 있다. 도 8 은, 본 발명의 실시형태에서, 플라즈마 프로세싱 시스템에 대한 제어를 강화하도록 설계된 컴포넌트들로 구성된 다중-주파수 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템 (800) 을 도시한다. 플라즈마 프로세싱 시스템 (800) 은 접지된 상부 전극 (804), 기판 (806), 정전 척 (808), 하부 바디 (810), RF 전원 (812), 석영 커플링 링 (814), 핫 에지 링 (816), 커버 링 (820), 저부 절연체 (818), 저부 접지 확장부 (822), 커버 링 (824), 복수의 한정 링 (826A, 826B, 826C, 및 826D), RF 필터 (828), DC 제어 모듈 (860), 스위치 (830), 가변 저항기 (831), 외부 DC 접지 (832), 외부 음의 DC 바이어스 (834), 및 외부 양의 DC 바이어스 (836) 를 포함하도록 구성될 수도 있다.
예를 들어, 제조업자는, 종래의 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템으로부터 엘리먼트들 (예를 들어, 핫 에지 링 (816) 및 석영 커플링 링 (814)) 을 제거하지 않고 플라즈마 프로세싱 파라미터 (예를 들어, 전압 전위, 플라즈마 밀도 등) 의 제어를 강화하는 것을 원하는 상황을 고려한다. 일 실시형태에서, DC 도전성 경로를 제공하기 위해 DC 도전성 커플링 링 (842) 및 PFSP 링 (844) 이 추가된다. 예시에서, 커플링 링 (842) 은, 상부 전극 (804) 으로부터 플라즈마 (802) 를 통해서, PFSP 링 (844) 을 통해서, 하부 바디 (810) 를 통해서, RF 필터 (828) 를 통해서 DC 제어 모듈 (860) 로 전류가 트래버스하는 것을 가능하게 하는 도전성 경로를 제공할 수도 있다. DC 도전성 커플링 링 (842) 은 알루미늄으로 형성될 수도 있고, PFSP 링 (844) 은 실리콘으로 형성될 수도 있다. 따라서, 도전성 커플링 링 (842) 및 PFSP 링 (844) 의 추가는 기판의 에지 주변의 프로세스 균일성을 희생하지 않고 외부 DC 전력을 사용함으로써 이온 에너지 및/또는 플라즈마 밀도를 제어하기 위해 대안적인 구현을 제조업자에게 제공할 수도 있다.
전술한 실시형태들로부터 명백할 수도 있는 것과 같이, 플라즈마 프로세싱 시스템은 플라즈마 프로세싱 파라미터의 강화된 제어를 제공하기 위해 변형될 수도 있다. 이에 따라, 제조 회사는 기계적으로 한정되고 고도의 비대칭적 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템의 통상적인 플라즈마 프로세싱 체계 이상으로 기판 프로세싱을 확장시킴으로써 매우 경쟁적인 시장에서 더욱 좋은 위치를 선점할 수도 있다. 또한, 새로운 컴포넌트들의 구현이 상당히 간단하고 저렴하기 때문에, 제조 회사의 소유 비용은 최소화된다.
본 발명은 몇몇 바람직한 실시형태에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 변경, 치환, 및 등가물들이 있다. 또한, 제목, 개요, 및 요약이 편의를 위해 본 명세서에 제공되며, 본 명세서의 청구항의 범위를 분석하도록 이용되어서는 안된다. 또한, 본 발명의 방법 및 장치들을 구현하는 수많은 대안적인 방법들이 있다는 것을 유의해야만 한다. 본 명세서에 다양한 예시들이 제공되었지만, 이들 예시들은 본 발명에 대해 한정하지 않고 설명적이도록 의도된다. 따라서, 이하의 첨부된 청구범위는, 본 발명의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않고, 모든 이러한 변경, 치환, 및 등가물을 포함하도록 의도된다.

Claims (18)

  1. 플라즈마 프로세싱 챔버에서, 기판을 프로세싱하는 방법으로서,
    상부 전극 및 하부 전극을 구비하여 구성된 상기 플라즈마 프로세싱 챔버에서 상기 기판을 지지하는 단계;
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에서 플라즈마를 점화 (ignite) 하도록 적어도 하나의 RF (radio frequency) 전원을 구성하는 단계;
    상기 하부 전극에 커플링되어 도전성 경로를 제공하는 도전성 커플링 링 (conductive coupling ring) 을 제공하는 단계;
    상기 도전성 커플링 링 위에 배치되는 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP; plasma-facing-substrate-periphery) 링을 제공하는 단계; 및
    플라즈마 프로세싱 파라미터들을 제어하기 위해, RF 필터를 통한 DC (direct current) 접지, 상기 RF 필터 및 가변 저항기를 통한 상기 DC 접지, 상기 RF 필터를 통한 양의 DC 전원, 및 상기 RF 필터를 통한 음의 DC 전원 중 적어도 하나에 상기 PFSP 링을 커플링하는 단계를 포함하는, 기판 프로세싱 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PFSP 링은 핫 에지 링 (hot edge ring) 인, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PFSP 링은 핫 에지 링과는 상이하고,
    상기 PFSP 링은 상기 기판의 주변 상의 임의의 유형의 플라즈마-대향 링 (plasma-facing ring) 일 수 있는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전성 커플링 링은 알루미늄으로 형성된, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 PFSP 링은 실리콘으로 형성된, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 약 2MHz 의 RF 주파수를 갖는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 약 27MHz 의 RF 주파수를 갖는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 약 60MHz 의 RF 주파수를 갖는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 프로세싱 시스템은 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템인, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  10. 상부 전극;
    하부 전극;
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에서 플라즈마를 점화 (ignite) 하기 위한 적어도 하나의 RF (radio frequency) 전원;
    상기 하부 전극에 커플링되어 도전성 경로를 제공하는 도전성 커플링 링 (conductive coupling ring); 및
    상기 도전성 커플링 링 위에 배치된 플라즈마-대향-기판-주변 (PFSP; plasma-facing-substrate-periphery) 링을 포함하며,
    상기 PFSP 링은, 플라즈마 프로세싱 파라미터들을 제어하기 위해, RF 필터를 통한 DC (direct current) 접지, 상기 RF 필터 및 가변 저항기를 통한 상기 DC 접지, 상기 RF 필터를 통한 양의 DC 전원, 및 상기 RF 필터를 통한 음의 DC 전원 중 적어도 하나에 커플링된, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 PFSP 링은 핫 에지 링인, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 PFSP 링은 핫 에지 링과는 상이하고,
    상기 PFSP 링은 상기 기판의 주변 상의 임의의 유형의 플라즈마-대향 링일 수 있는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 도전성 커플링 링은 알루미늄으로 형성된, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 PFSP 링은 실리콘으로 형성된, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 약 2MHz 의 RF 주파수를 갖는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 약 27MHz 의 RF 주파수를 갖는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 RF 전원은 약 60MHz 의 RF 주파수를 갖는, 플라즈마 프로세싱 시스템.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 플라즈마 프로세싱 시스템은 용량 결합형 플라즈마 프로세싱 시스템인, 플라즈마 프로세싱 시스템.
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